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对地观测,何日实现太空“现场直播”

时间:2015年07月31日 信息来源:对地观测 点击: 字体:

核心提示

在此次马航客机搜救事件中,世界各国动用了大量卫星搜索客机可能坠落的海域,虽然发现了很多“疑似”残骸,但最终都没有被确认。

如果人类拥有一个可以全天候监视全球的卫星系统,那么mh370 的每一步踪迹都将难逃天眼。推而广之,这样的卫星系统还可以监视更多自然过程和人类活动。那么,这样的系统有可能建设成吗?人类需要一个持续监视地球的卫星系统吗?

从理论上讲,拥有一个全球“ 现场直播”的星座,也就是所谓的全球实时监视星座,就能满足所有人的需求了。这里的“星座”是指多颗卫星以特定的几何关系成组,并在轨道上运行而形成的一个系统。随着技术的发展,微小卫星或许能为人类提供实时监视地球的能力。

图为国际空间站机械臂附加的小卫星释放装置部署微小卫星示意图

分辨率的取舍

众所周知,分辨率是对地观测星座最重要的指标之一。按照直线式的思维方式,分辨率似乎越高越好。然而,对于不同的应用,分辨率问题也有不同的需求。

例如,对于农林、水体和生态遥感来说,分辨率在10米左右的图像已经够用;气象监视的分辨率保持在千米级别即可。但对于城市土地利用、工程勘测、灾害监测来说,米级或者亚米级的分辨率才能有效发挥作用。要监视完整的民航机,米级的分辨率就够用了;但如果是为了寻找客机残骸,必须要得到亚米级的图像。

分辨率的取舍将决定一系列的系统设计问题,包括相机的设计、轨道的选择、数据处理与分发的能力。

全球实时覆盖的需求

一般情况下,对地观测卫星都运行在低轨道,它们会在目标上空一掠而过。对地观测卫星对同一个地物的持续拍摄时间不超过10分钟。如何才能持续不断地监视一个目标?

方法有两个:一是部署地球静止轨道遥感卫星,由于它和地面保持相对静止,因此可以像导弹预警卫星那样凝视某个地区。

目前,美国和欧洲都启动了地球静止轨道遥感卫星计划。其中,欧洲空客公司提出的方案据说能达到3米的分辨率,对监视对象可以实现“现场直播”。但静止轨道距离地球太遥远了,卫星和相机的研制难度都很大,即使携带大型相机,也很难达到亚米级分辨率。

另一种方法是部署足够多的低轨道卫星,让任何地点的上空隔一段时间就有一颗卫星飞过。这其实就是美国“未来成像结构”项目的思路,即部署一个24颗卫星的星座。但地球任何时刻都有一半处在黑夜当中,可见光相机无法在黑暗中有效拍摄。要解决这个问题,就必须同时部署一个合成孔径雷达星座。这是美国“天基雷达”项目的设想,美国防部计划用8~10颗雷达卫星覆盖全球。

微小卫星的机会

最终,“未来成像结构”和“天基雷达”两个项目都因经费、技术等问题下马了,连美国都做不到的事情,其他国家有可能做到吗?

事物总是在不断发展的。最近几年,随着微小卫星和光学、雷达技术的发展,困扰这两个项目的很多技术问题已经解决。现在,如果对分辨率不做过高要求,建设多星全球监视星座已经不再是“痴人说梦”。

例如,美国的天空盒子公司计划发射12~24 颗小卫星组成星座,每颗卫星只有小冰箱那么大,制造和发射成本只有5000万美元,分辨率可以达到1米,每8小时就可以重访同一个目标。

虽然8小时的重访周期还是不足以监视飞行中的客机,但让人们看到了它的潜力:如果国家级的灾害监视机构出资,发射更多卫星、实现更高的重访频率,甚至实时重访,将是完全有可能做到的。

地面上的配合

天上有星,只是实时监视的一方面,地面处理则是另一个关键。卫星拍下来的图像,必须有接收、有存储、有处理、有判读、有分发,这些方面的工程量比发射卫星一点都不少。

如果真的建立起一个2米以上分辨率的全球监视星座,那么卫星发送回来的数据量会比现在所有高分辨率遥感卫星加在一起都多得多。届时,更大的问题将在于处理。

卫星发回来的只是原始数据,必须用计算机处理才能成为整幅图像。传统卫星遥感是不要求实时处理出图的,但实时监控就要求立刻把图像处理出来,这就要求处理速度要跟得上卫星拍摄的速度。

最后,判读可能是终极的技术问题。在此次马航mh370客机搜救中,美国数字全球公司制作了专题影像图向全世界开放,请所有网民帮助寻找残骸,这说明人类目前的计算机自动识别技术还不能充分满足全球监视的要求。

全球星座拍摄到的图像浩如烟海,靠人眼来识别,无论速度还是准确率都无法保证满足。按照美国军方的经验,培养一个合格的判读员需要8年以上。有多少网民具备这样的素质呢?因此,必须靠计算机自动识别来解决问题。

编辑点评

以上提出的所有问题,最终都要归结到系统的建设成本与技术瓶颈上,这些问题曾让美国国防部两次放弃了全球监视星座的计划。

但技术进步和产业发展正在使成本不断降低,全球有关国家合力建设一个用于减灾和救援的实时监视星座,这种前景还是有可能实现的。

值得注意的是,有朝一日如果真的建成一个这样的星座,如何充分、公允的应用将会是各国需要商讨的。同时,还要确保不被用“偏”了。(俞盈帆/文 郭牧/制图)

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